Анонс: почему важно знать о гармониках в силовых сетях объектов. Что такое гармоники, как они возникают и какие последствия высокого уровня гармонических искажений.
В последние годы много обсуждений и интереса вызвала тема качества электроэнергии. Это неудивительно, ведь если в прошлом электроэнергия, получаемая от распределительных электросетей и используемая промышленными предприятиями, обычно имела чистую синусоидальную форму волны тока, напряжения, то сегодня на разных объектах все чаще сталкиваются с проблемой гармонических искажений. Эти искажения проявляются в виде кратковременных переходных или постоянных непрерывных процессов, а источники загрязнений могут быть внешними по отношению к силовой сети объекта (например, соседнее предприятие генерирует гармоники), или находиться внутри собственной инфраструктуры.
Гармонические искажения обычно связаны с более активным использованием на коммерческих, промышленных предприятиях регулируемых приводов, источников питания и других устройств, использующих полупроводниковое переключение. Однако гармонические искажения могут генерироваться любой из множества нелинейных нагрузок, и, учитывая негативы гармоник, важно, чтобы инженер или персонал предприятия понимал основы гармонических искажений, знал, как распознать симптомы этой проблемы, что можно сделать для ее решения.
Что такое гармоники?
Гармоника — компонент периодической волны с частотой, кратной основной частоте линии электропередачи 50 Гц. Например, 250 Гц (5×50 Гц) — это гармоника 5-го порядка основной частоты и на рис. ниже показана результирующая волна при объединении основной и 5-й гармоники, которая по факту искажает синусоиду.
Гармоники, обычно наблюдаемые в энергосистеме, упрощенно можно разделить на две различные группы по характеру проблем, которые они создают, и по способам их устранения:
- доминирующие гармоники, создаваемыми трехфазными нелинейными нагрузками — 5-я, 7-я, 11-я, 13-я и более высокие нечетные, которые не кратны трем;
- гармоники, создаваемые в основном однофазными нелинейными нагрузками — 3-го порядка и более высокие, кратные трем.
Гармоники — это стационарное явление, и их не следует путать с кратковременными процессами, длящимися менее нескольких циклов синусоиды. Переходные процессы, электрические помехи, скачки перенапряжения и провалы напряжения в питающей сети по своей природе не являются гармоническими, и некоторые из этих кратковременных возмущений напряжения или тока могут быть ослаблены с помощью сетевых реакторов или разделительных трансформаторов. Уровень гармонических искажений напряжения или тока, существующих в любой точке энергосистемы, может быть выражен в виде полного гармонического искажения (THD) формы тока или напряжения.
Каковы последствия высокого уровня гармонических искажений?
Подобно тому, как высокое кровяное давление может вызвать стресс и серьезные проблемы в организме человека, высокий уровень гармонических искажений негативно влияет на энергосистему предприятия, а также буквально на все оборудование в силовой сети. Результатом может быть аварийное отключение и одного агрегата, и целой линии с остановкой производственно-технологического процесса. Это вызывается скачками напряжения, которые создают дополнительную нагрузку на изоляцию двигателей и кабелей, что в конечном итоге может привести к пробою и разрушению.
Кроме того, гармоники увеличивают среднеквадратичный ток, а это повышает рабочую температуру многих элементов оборудования, значительно сокращая срок его службы. Причем гармонические искажения тока и напряжения обычно сосуществуют вместе, хотя их последствия могут быть разными.
Здесь необходимо отметить два очень важных момента:
- потребитель несет ответственность за поддержание искажений тока в допустимых пределах, в то время как распределительная компания — за ограничение искажений напряжения;
- ограничения применимы только в точке общего подключения (PCC) между электросетевой компанией и потребителем, т.е. не к распределительным щитам или отдельному оборудованию на предприятии.
Как возникают гармоники?
Гармоники возникают из-за нелинейной нагрузки, потребляющей ток несинусоидальной формы. До недавнего времени большинство заводских нагрузок были в основном линейными, а форма волны тока точно соответствовала синусоидальной форме волны напряжения и изменялась пропорционально нагрузке. Однако в последнее время резко возросло количество нелинейных нагрузок, генерирующих гармонические возмущения — некоторые электродвигатели энергосберегающее освещение, приводы постоянного тока, переменной частоты, программируемые контроллеры, индукционные и дуговые печи, твердотельные источники бесперебойного питания, сварочные аппараты и т. д.
Нелинейные нагрузки, вызывающие наибольшее количество проблем, можно упрощенно разделить на две категории — электронные преобразователи мощности и дуговые устройства. Электронные преобразователи мощности, например, приводы с регулируемой скоростью и источники питания, вносят наибольший вклад в гармонические искажения на современных предприятиях. Электронный преобразователь мощности переводит электрическую энергию из одной формы в другую, обычно путем выпрямления (из переменного в постоянное), а затем синтеза нового переменного напряжения. Это изменение осуществляется с помощью полупроводников — тиристоров, диодов, транзисторов, используемых для периодического переключения в проводящих цепях преобразователя. На рисунке ниже показан типичный спектр гармонического тока для 6-импульсного электронного преобразователя мощности.
Некоторые распространенные названия, которые обычно ассоциируются с электронными преобразователями мощности — приводы с регулируемой скоростью, частотно-регулируемые, SCR-приводы, приводы двигателей переменного (AC/DC/AC), постоянного тока (AC/DC) тока, трехфазные полноволновые выпрямители и преобразователи.
О том, какое отношение имеют установки повышения коэффициента мощности к гармоникам в следующем материале цикла.
О реактивной мощности и гармониках для дилетантов в электроэнергетике. Часть первая
О реактивной мощности и гармониках для дилетантов в электроэнергетике. Часть вторая
